基于HyperWorks的汽車車門鉸鏈靜剛度分析

秦濤，蔡元初，李斌

(1.湖北文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北襄陽(yáng) 441053；2.湖北航宇精工科技有限公司，湖北襄陽(yáng) 441002)

0 引言

車門鉸鏈作為汽車車門的關(guān)鍵部件，其設(shè)計(jì)的安全性直接關(guān)系到汽車行駛過程中乘客的安全，因此對(duì)車門鉸鏈的剛度要求較高[1-2]。國(guó)內(nèi)各商用車廠家在車門開發(fā)過程中尤其重視車門鉸鏈的安全性能，通常采用試驗(yàn)驗(yàn)證和市場(chǎng)回饋的方式來說明車門鉸鏈的剛度合理性[3]。然而，這種產(chǎn)品設(shè)計(jì)、驗(yàn)證方式周期較長(zhǎng)，成本較高，無法滿足現(xiàn)代的快速設(shè)計(jì)要求。

有限元方法在1960年被提出以后，CAE軟件得到了快速發(fā)展，在各行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者利用CAE分析獲取結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度[4-5]，并借助工程經(jīng)驗(yàn)加以改進(jìn)，大大縮短了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)周期，降低了開發(fā)成本。本文作者使用CATIA建立車門鉸鏈的三維實(shí)體模型，利用有限元分析軟件HyperWorks建立有限元模型，對(duì)其進(jìn)行靜剛度有限元分析，來驗(yàn)證車門鉸鏈設(shè)計(jì)的合理性。

1 模型建立

文中開發(fā)了一種改進(jìn)型的車門鉸鏈，利用三維制圖軟件CATIA建立其實(shí)體模型，如圖1所示。該車門鉸鏈由鉸鏈板、鉸鏈座、銷軸、襯套和定位螺栓組成，其中鉸鏈板直接與車身連接，鉸鏈座安裝在車門上。

圖1 車門鉸鏈結(jié)構(gòu)圖

2 工況分析及設(shè)計(jì)要求

2.1 工況分析

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，車門鉸鏈需要同時(shí)滿足3個(gè)方向的剛度，因此需要完成3種工況下的有限元分析。在實(shí)際工作過程中，鉸鏈座直接安裝在車門上，添加固定約束，具體的工況設(shè)置如表1所示，分別列出了鉸鏈在3種工況下的載荷和邊界條件。

表1 車門鉸鏈工況分析

2.2 設(shè)計(jì)要求

按照GB 15086-2013《汽車門鎖及車門保持件的性能要求和試驗(yàn)方法》的開發(fā)試驗(yàn)規(guī)范[6]，每個(gè)車門鉸鏈要同時(shí)滿足縱向、橫向以及垂直剛度要求，才能保證車門的安裝剛度要求。具體的評(píng)價(jià)指標(biāo)：縱向剛度大于2 500 N/mm，橫向剛度大于2 500 N/mm和垂直剛度大于1 500 N/mm，其方向分別對(duì)應(yīng)坐標(biāo)軸的X、Z、Y方向。

3 靜剛度有限元分析

3.1 材料屬性

車門鉸鏈中鉸鏈座和鉸鏈板的材料為SAPH440，其他幾個(gè)零件的材料為20MnTiB，具體參數(shù)如表2所示。

表2 車門鉸鏈材料屬性表

3.2 有限元模型

將車門鉸鏈的三維模型導(dǎo)入HyperWorks中建立有限元模型，采用四面體單元對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了保證單元的有效性，對(duì)劃分好的單元逐一進(jìn)行質(zhì)量檢查[7]，最終得到有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

3.3 有限元分析

在HyperWorks中對(duì)車門鉸鏈設(shè)置完載荷和邊界條件后，進(jìn)行剛度分析，得到3種工況下的位移分布云圖如圖3所示。

在得知車門鉸鏈變形量后, 可以通過式(1)計(jì)算車門鉸鏈的靜剛度[8]：

(1)

式中：K為結(jié)構(gòu)剛度；P為載荷；U為位移。

在計(jì)算靜剛度時(shí)，一般選擇最大的變形量，即縱向、橫向、垂直剛度的最大位移量分別為0.268、0.067、0.234 mm，將其代入式(1)，解得對(duì)應(yīng)的剛度如表3所示。可以看出：在3種工況下，車門鉸鏈的靜剛度均滿足設(shè)計(jì)要求，說明文中設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)合理。

表3 車門鉸鏈靜剛度有限元分析

4 結(jié)論

文中開發(fā)了一種改進(jìn)型的車門鉸鏈，利用CATIA建立三維實(shí)體模型，在HyperWorks中建立有限元模型，完成靜剛度有限元分析，得到車門鉸鏈在縱向、橫向以及垂直載荷作用下的位移分布云圖，通過計(jì)算得到車門鉸鏈的剛度值，表明設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能夠滿足設(shè)計(jì)要求。